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痞子tai木蟲 (正式寫手)
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【分享博文】CFD并非只是軟件（轉(zhuǎn)自流沙）【已搜索無重復】 已有53人參與
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CFD到底是什么？這個問題對于初學者來說非常重要。因為若是不能正確的理解，則有可能誤入歧途，更有甚者，將CFD錯誤的應(yīng)用于工程上，導致不可彌補的災難。 CFD是一個縮寫，全稱是Computational fluid dynamic，中文翻譯為“計算流體動力學”。我們從語法角度進行理解。中心詞是“動力學”，由此可知CFD是一門學科，而且是運動力學。何謂“動力學”？學過力學的人都知道，動力學是關(guān)于運動和力之間的關(guān)系�！皠恿W”的前面有“流體”二字，表示CFD研究的是流體運動與力之間的關(guān)系。而最前面的“計算”一詞，則表示CFD是一門關(guān)于如何利用計算的手段來研究流體運動與力之間的關(guān)系的科學。 與“有限元”不同。“有限元”是一門技術(shù)，或者說是一門關(guān)于偏微分方程求解的技術(shù)。但是CFD卻不同，CFD的范圍遠比有限元寬泛，CFD至少包含了一下四個部分：物理模型的簡化抽象、計算方法、計算結(jié)果評價以及工程應(yīng)用技術(shù)。因此我們在學習CFD的過程中，不應(yīng)當只是局限于計算求解上。CFD的應(yīng)用過程通常也是遵循以上四個過程，首先從現(xiàn)實物理現(xiàn)象中抽象出數(shù)學模型（通常是二階非線性偏微分方程），這一步非常的重要，影響到算法的選擇以及結(jié)果評估。抽象出數(shù)學模型之后，需要尋求合適的計算方式以求解模型，求解方式可以是解析方式，也可以是數(shù)值方式。求解完模型后，通常需要輔以試驗以對求解結(jié)果正確性進行評估驗證。結(jié)果驗證后，如何將計算結(jié)果應(yīng)用到工程上，指導產(chǎn)品設(shè)計，則是CFD應(yīng)用的最根本目的。這四部分內(nèi)容，其中以第一部分最為重要，以最后一步最為困難。 CFD的核心是對NS方程的處理。然而，CFD計算軟件的出現(xiàn)，卻在一定程度上掩蓋了處理細節(jié)，它以一種看似簡單的方式對NS方程加以處理。對于CFD初學者來說，計算流體理論的缺乏，使得他們對于軟件的一些使用感到無所適從，而且對于軟件的計算結(jié)果解讀也無能為力。就拿目前CFD行業(yè)使用最廣泛的軟件Fluent來舉例吧。如果對流動現(xiàn)象的理解不夠深刻，則對于軟件的一些常見選項，比如穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，湍流還是層流，是否考慮能量方程，采用何種算法進行離散等等問題，可能一知半解。他們此時的做法通常是找一些相類似的例子，按照例子中的設(shè)置方式進行設(shè)置，對于計算結(jié)果，有時候又缺乏現(xiàn)實試驗數(shù)據(jù)的比對驗證。因此，他們判斷計算結(jié)果的手段常常是依靠直覺，這樣進行的CFD計算結(jié)果可靠性可想而知，更不要說應(yīng)用于實際工程中了。 在很多人的心目中，CFD意味著Fluent，意味著star-cd，意味著CFX等等，是這樣的么？雖然這些軟件功能強大，但是利用它們進行流體力學計算就是CFD么？在我看來，這充其量只是未經(jīng)驗證的CFD計算過程而已。軟件工程告訴我們：軟件的人機界面越友好，意味著軟件封裝得越好，也就意味著用戶能夠獲知軟件的工作細節(jié)的幾率越小。然而，我們也受制于這些軟件的功能限制，比如說現(xiàn)代軟件都對源代碼進行了封裝，功能的擴充和擴展都必須遵循軟件開發(fā)者的規(guī)定，像Fluent中的UDF與UDS，像CFX與star-cd中的fortran語言。這些二次開發(fā)需要遵循軟件的規(guī)則，一般都是小范圍的擴展，核心算法通常是沒辦法改動的。當然目前有一款稱為OpenFoam的軟件，它是開放源代碼的，有需要研究流體軟件開發(fā)流程及程序的，可以研究。 軟件是計算機出現(xiàn)后的產(chǎn)物，其實在計算機出現(xiàn)之前，CFD就已經(jīng)在工程上有了應(yīng)用。工程上最早應(yīng)用CFD是在天氣預報行業(yè)，當時是利用了差分方法進行求解。雖然模型是經(jīng)過了大量的簡化，但是無可否認的是采用了CFD方法。計算機相對于人類的計算能力來說的確具有無可比擬的優(yōu)勢，在硬件條件允許的情況下，利用計算機可以完成以前人類難以想象的問題。但是在CFD應(yīng)用過程中，只有計算的部分是由計算機完成的，其他的部分則和使用者的關(guān)系密切。 1、模型的抽象。雖然說NS方程的格式是幾乎固定的。然而，NS方程的基礎(chǔ)太過寬泛（利用三大守恒定律），因此，受計算機硬件條件限制，對于現(xiàn)實問題，我們往往需要進行大量的假設(shè)。這進行假設(shè)的能力是計算機無法提供的，因為當前的計算機還不具備識別現(xiàn)實物理現(xiàn)象的能力。如何進行合理假設(shè)，或者說如何假設(shè)才能將誤差降至最小，這是CFD對于使用者提出的第一大難題。解決這一難題，需要用戶具備深厚的流體力學功底，具有對物理現(xiàn)象的深刻認識才行。 2、模型的求解計算。雖然說這一部分的工作是有軟件來完成，然而算法卻是由人給定的。對于一定的數(shù)學模型，采用何種計算方法，是用有限體積法，有限元法，有限差分法，還是用其他什么方法，這一切的選擇權(quán)都在于使用者。軟件是將用戶的選擇進行解析，利用程序員規(guī)定的算法進行迭代計算，并最終給出計算結(jié)果。然而，算法的選取，控制參數(shù)的設(shè)定，輸入?yún)?shù)的確定等等都是由用戶給定的，而這些參數(shù)的設(shè)置正確與否則與用戶的數(shù)值計算功底是有密切聯(lián)系的。計算機是不會識別用戶的數(shù)學模型而自動選取算法的。 3、計算結(jié)果驗算。這一部分軟件基本上是無能為力的。通常這一部分需要配合現(xiàn)實試驗數(shù)據(jù)進行比對。其實這之間存在一個問題。通常我們認為試驗數(shù)據(jù)是準確的，利用試驗來調(diào)整計算模型與算法，但是如果對模型和算法的掌握不是很深的話，是沒有辦法進行正確的修正的。因為如果一開始的模型就是錯誤的話，就算對于某一算例調(diào)整正確了，但是對于修改了參數(shù)之后的模型是否還適用，那就有待商榷了。因此，驗算部分并不是僅僅將計算結(jié)果與實驗結(jié)果簡單對比就了事，而是需要利用試驗進行計算模型修正。 4、CFD的工程應(yīng)用。這一部分看似和使用者的理論關(guān)系不大，其實恰恰相反，這部分對使用者要求更高。因為如何將計算結(jié)果應(yīng)用到設(shè)計上，要求使用者對改進結(jié)構(gòu)后的流動狀態(tài)有正確的預測。比如說要降低U型管中流動對管壁的影響，如果用戶對流動現(xiàn)象的了解不夠深刻的話，那么再好的計算結(jié)果，對于如何改進結(jié)構(gòu)都是毫無作用的。 總之，CFD絕不是一兩款軟件，軟件只是CFD中的一個工具罷了。要想真正的將CFD應(yīng)用于工程實際中，真正的利用CFD指導工程實際，其實對于使用者的理論功底要求是很高的。 |
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